集成氮化鎵(GaN) 功率 FET正在改變傳統(tǒng)電源方案

作為一名電力電子工程師，有句話說得好，沒有從電力設(shè)備爆炸中吸取的教訓(xùn)，就沒有成功。在我多年使用硅基 MOSFET 調(diào)試開關(guān)模式電源的經(jīng)驗(yàn)中，這似乎是正確的。通過反復(fù)試驗(yàn)和對(duì)設(shè)備故障的研究，我們可以學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)可靠工作的轉(zhuǎn)換器。

在氮化鎵 (GaN) 功率 FET 的早期階段，故障很常見。更嚴(yán)格的門環(huán)設(shè)計(jì)要求、更高的 dv/dt 以及共源電感的影響都使電路對(duì)寄生效應(yīng)和噪聲更加敏感。當(dāng) TI 的首批600V GaN 功率級(jí)樣品問世時(shí)，我驚嘆于該產(chǎn)品的穩(wěn)健性及其自我保護(hù)功能的有效性。盡管功率級(jí)已經(jīng)通過嚴(yán)格的測(cè)試驗(yàn)證，但我之前使用硅部件的經(jīng)驗(yàn)讓我對(duì)它在實(shí)際使用中的穩(wěn)健性感到好奇。更重要的是，這些功能是否會(huì)改變電路原型設(shè)計(jì)和調(diào)試的傳統(tǒng)智慧？

在最近的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，我使用了兩個(gè) TI 半橋 LMG3410-HB-EVM 評(píng)估模塊 (EVM)，其中包含一些基本直流總線設(shè)計(jì)，由 UCD3138 數(shù)字脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器控制。當(dāng)兩個(gè)交錯(cuò)式半橋一起工作時(shí)，我看到 PWM 信號(hào)反復(fù)受到高 dv/dt (100V/ns) 的影響，導(dǎo)致 480V 的 FET 直通并觸發(fā)集成過流保護(hù)（圖 1）。

與大多數(shù) FET（在這種情況下會(huì)發(fā)生故障）不同，LMG3410 集成功率級(jí)使我能夠在不損壞的情況下重復(fù)故障條件，并快速調(diào)試到根本原因。對(duì)于傳統(tǒng)零件來說，這將是非常費(fèi)力的，并且可能不安全。

圖 1：擊穿事件后功率級(jí)的自關(guān)斷（藍(lán)色：上部 FET PWM；黃色：下部 FET PWM；綠色：電感器電流）

通過 R DRV改變壓擺率，我發(fā)現(xiàn)單相操作的 50V/ns 或 100V/ns 具有穩(wěn)健的操作，而兩相操作的 100V/ns 則沒有。根本原因是共模 (CM) 噪聲污染和控制器外圍電路的未優(yōu)化布局，導(dǎo)致不同 PWM 通道之間的時(shí)鐘同步不匹配（圖 2）。

圖 2：PWM 不同步導(dǎo)致電感電流浪涌（藍(lán)色：上部 FET PWM；黃色：下部 FET PWM；綠色：電感電流；紅色：觸發(fā)故障信號(hào)）

TI 的 ISO7831 數(shù)字信號(hào)隔離器提供足夠高的 CM 瞬變抗擾度 (CMTI) (>100V/ns)，但隔離電源（通常具有更高的 CM 電容）很容易將來自開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的噪聲耦合到控制在高 dv/dt 下接地（圖 3）。由于多相同時(shí)運(yùn)行，更多的共模噪聲會(huì)被注入控制側(cè)。

電源設(shè)計(jì)人員有時(shí)會(huì)忽略這個(gè)問題，因?yàn)楣杵骷鸵恍в型獠框?qū)動(dòng)器的 GaN FET 無法實(shí)現(xiàn)如此高的壓擺率。我通過在上部 FET 的隔離電源上添加額外的 CM 扼流圈并改進(jìn)數(shù)字控制器的去耦回路成功解決了該問題，從而減少了控制器的接地彈跳和噪聲耦合。得益于 LMG3410 的集成保護(hù)功能，我在整個(gè)調(diào)試過程中沒有遇到過一次災(zāi)難性故障，盡管多次出現(xiàn) CM 噪聲引起的故障。

圖 3：隔離電源和數(shù)字隔離器之間的 CM 電容

除了過流故障，過溫事件在電源轉(zhuǎn)換器中也很常見。盡管經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師具有良好的熱設(shè)計(jì)技能，但保持器件結(jié)點(diǎn)冷卻仍然具有挑戰(zhàn)性，并且容錯(cuò)率不大。隨著時(shí)間的推移，風(fēng)扇故障或散熱器劣化等事件可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障。幸運(yùn)的是，LMG3410 集成了過溫保護(hù)，當(dāng)我的風(fēng)扇電源意外關(guān)閉時(shí)，它來救我了。熱跳變點(diǎn)設(shè)置為 165 ° C，為短暫的溫度偏移留出足夠的余量，但可防止設(shè)備因與冷卻相關(guān)的系統(tǒng)故障而遭受永久性損壞。

雖然 GaN 在系統(tǒng)效率、尺寸和冷卻方面具有優(yōu)勢(shì)，但其高開關(guān)速度和頻率也帶來了越來越多的挑戰(zhàn)。

TI GaN 產(chǎn)品的保護(hù)和其他集成功能正在改變使用分立 Si MOSFET 的傳統(tǒng)智慧，讓我們了解高速開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。這些產(chǎn)品不僅可以在我們調(diào)試新設(shè)計(jì)時(shí)保護(hù)設(shè)備免受永久性損壞，而且還可以通過防止長(zhǎng)期運(yùn)行下的柵極過應(yīng)力來提高穩(wěn)健性，因?yàn)榧沈?qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)減少了柵極振鈴。

世界已經(jīng)見證了摩爾定律帶來的電子產(chǎn)品的巨大擴(kuò)展和系統(tǒng)密度的提高。由于 GaN 技術(shù)的發(fā)展以及易于使用的 GaN 功率級(jí)（如具有自我保護(hù)功能的 LMG3410）的推出，這種趨勢(shì)現(xiàn)在正在進(jìn)入電力電子領(lǐng)域。